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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung an einer Karde oder Krempel
zur Einstellung des Arbeitsabstandes zwischen der garnierten Trommel
und mindestens einer garnierten benachbarten Walze, z. B. Abnehmer
und/oder Vorreißer, die mit kleinem gegenseitigem Abstand
zwischen den zylindrischen Flächen (Arbeitsabstand) an
den Faserübertragungsstellen zusammenwirken und bei der
der Arbeitsabstand aufgrund von Dimensionsänderungen durch
thermische Dehnungen und/oder Zentrifugalkräfte auf einen
vorbestimmten Wert nachstellbar ist, wobei eine durch Wärmeenergiezufuhr
betätigbare Verstelleinrichtung für die benachbarte
Walze vorgesehen ist.
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Beim
Kardieren werden zunehmend größere Fasermaterialmengen
je Zeiteinheit verarbeitet, was höhere Geschwindigkeiten
der Arbeitsorgane und höhere installierte Leistungen bedingt.
Steigender Fasermaterialdurchfluss (Produktion) führt schon
bei konstant bleibender Arbeitsfläche infolge der mechanischen
Arbeit zu erhöhter Erzeugung von Wärme. Zugleich
wird aber das technologische Kardierergebnis (Bandgleichmäßigkeit,
Reinigungsgrad, Nissenreduzierung usw.) ständig verbessert,
was mehr im Kardiereingriff stehende Wirkflächen und engere
Einstellungen dieser Wirkflächen z. B. Festdeckel und/oder
Wanderdeckel zur Trommel (Tambour) bedingt. Der Anteil zu verarbeitender
Chemiefasern, bei denen – im Vergleich zu Baumwolle – im
Kontakt mit den Wirkflächen (Garnituren) der Maschine durch Reibung
mehr Wärme erzeugt wird, nimmt stetig zu. Die Arbeitsorgane
von Hochleistungskarden sind heute allseitig voll gekapselt, um
den hohen Sicherheitsstandards zu entsprechen, Partikelemission
in die Spinnereiumgebung zu verhindern und den Wartungsbedarf der
Maschinen zu minimieren. Roste oder gar offene, materialführende
Flächen, die einen Luftaustausch ermöglichen,
gehören weitgehend der Vergangenheit an. Durch die genannten
Umstände wird der Eintrag von Wärme in die Maschine
deutlich gesteigert, während der Wärmeaustrag
mittels Konvektion deutlich sinkt. Die dadurch bewirkte stärkere Erwärmung
von Hochleistungskarden führt zu größeren
thermoelastischen Verformungen, die aufgrund der Ungleichverteilung
des Temperaturfeldes die eingestellten Abstände der Wirkflächen
beeinflussen: Die Abstände zwischen Trommel und Deckel,
Abnehmer, Festdeckeln sowie Ausscheidestellen nehmen ab. Im Extremfall
kann der eingestellte Spalt zwischen den Wirkflächen durch
Wärmedehnungen vollständig aufgezehrt werden,
so dass relativbewegte Bauteile kollidieren. Größere
Schäden sind dann an der betroffenen Hochleistungskarde
die Folge. Nach alledem kann insbesondere die Erzeugung von Wärme
im Arbeitsbereich der Karde zu unterschiedlichen thermischen Dehnungen
bei zu großen Temperaturunterschieden zwischen den Bauteilen
führen.
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Kardierspalte
und Walzenabstände sind an der Karde außerordentlich
wichtig. Mit einer exakten Einstellung dieser Spalte (Walzenspalte)
steht und fällt die Kardierqualität. Unter Wärmeeinfluss
dehnen sich die Walzen aus, und die Spalte verändern sich. Zu
den Ausdehnungen der Walzen durch Fliehkraft, die die Spalte stark
verändern, sorgen hohe Produktion und kardierintensive
Chemiefasern zusätzlich für eine starke Erwärmung
der Walzen. Es treten thermisch bedingte Dimensionsänderungen
der Walzen auf. Um eine optimale Kardierqualität zu erreichen, ist
es notwendig, dass die Walzenabstände während des
Betriebes konstant bleiben. Konstant heißt in diesem Zusammenhang,
dass die Abstandsänderung vorzugsweise weniger als 0,01
mm betragen soll.
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Bei
einer bekannten Vorrichtung (
DE
29 48 825 ) wird in einer Karde mit mindestens zwei zusammenarbeitenden
Walzen zum Ausgleich von Erwärmungen der Abstand zwischen
den beiden Walzen verändert. Diese Veränderung
erfolgt mittels zusätzlicher mechanischer Verschiebungselemente,
welche derart ausgebildet sind, dass sie entsprechend der vorliegenden
Temperatur den Abstand der Achsen der Walzen verändern
können. Dazu ist das stationäre Gestell der Karde
als ein Rahmen mit vier Abstützungen (nur zwei dargestellt)
und mit zwei horizontalen Längsträgern (nur einer
dargestellt) ausgebildet. Die beiden Längsträger
und die Abstützungen sind durch (nicht dargestellte) Querträger
zu einem stabilen, steifen Tragrahmen für zwei mit einer
Spitzengarnitur ausgerüstete, mit kleinem gegenseitigen Abstand
a arbeitende, rotierende Walzen (Trommel und Abnehmer) zusammengebunden.
Die Trommel ist mittels zweier mit den Längsträgern
fest mit Schrauben zusammengeschraubter Lager (von denen nur eines
dargestellt ist) ortsfest um ihre Achse drehbar gelagert und wird
angetrieben und gedreht. Der Abnehmer ist ebenfalls mit zwei Lagern
(nur eines dargestellt) auf den Längsträgern des
Gestells um seine Achse drehbar gelagert. Die Lager für
den Abnehmer sind jedoch nicht auf Längsträgern
festgeschraubt, sondern mittels je zweier Bundschrauben so geführt,
dass sie parallel zur Achse um eine kleine Strecke in der Größenordnung
von 1 bis 2 mm verschiebbar sind. Zu diesem Zweck sind in den Lagern Schlitzöffnungen
für die vorstehenden Schrauben vorgesehen, welche eine
genaue seitliche Führung der Lager unter Sicherstellung
ihrer Längsverschiebbarkeit zulassen. Durch parallele Verschiebung
der Lager in den Schlitzöffnungen kann so der Abstand zwischen
den zylindrischen Flächen der beiden Walzen variiert werden.
Zu diesem Zweck ist das Maschinengestell auf seinen Längsträgern
mit je einem fixen Anschlag für Stelleinrichtungen (Verschiebungselemente)
versehen, welche zwischen dem fixen Anschlag und dem Lager des Abnehmers
eingesetzt sind. Die Stelleinrichtungen sind in der Lage, die Position
ihres entsprechenden Lagers hinsichtlich derjenigen des fixen Lagers
für die Trommel zu bestimmen. Für die Verschiebung
des Tragelementes wird die thermische Ausdehnung eines Metallstabes
benutzt. Zu diesem Zweck ist ein Metallstab, z. B. mittels Gewindeverbindungen,
in den Tragelementen fest verankert. Die für die thermische
Ausdehnung des Metallstabes erforderliche Wärmezufuhr wird mittels
eines direkt um den Stab gewundenen elektrischen Widerstandes erzeugt,
dessen Stromzufuhr durch eine Steuereinrichtung geregelt wird. Nachteilig
bei dieser Vorrichtung ist der konstruktive Aufwand. Außerdem
stört, dass ein ständiges Erwärmen des
Metallstabes notwendig ist, um den Stab bei konstanter Temperatur
(und demnach Ausdehnung) zu halten. Wärme wird ausschließlich
benutzt, um den Abstand zu vergrößern. Gibt es
weiterhin einen plötzlichen Maschinen-Stopp (z. B. durch
Stromausfall) und die Heizelemente fallen aus, so verringern sich die
Abstände zwischen Trommel und den umliegenden Walzen, da
die Verstelleinheit aufgrund ihrer weitaus geringeren Masse schneller
abkühlen kann, als die Trommel. Dies kann zu Berührungen
zwischen Tambour und den umliegenden Walzen und Arbeitselementen
führen.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die die
genannte Nachteile vermeidet, die insbesondere konstruktiv einfach ist
und in kurzer Zeit bei Dimensionsänderungen der Walzen
die Einstellung eines vorbestimmten Abstandes zwischen benachbarten
Walzen ermöglicht.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt
auf einfache Weise eine Konstanthaltung von Walzenabständen
in Karden unter Wärmeeinfluss bzw. Fliehkrafteinfluss.
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Erfindungsgemäß ist
eine durch aktive Wärmeenergiezufuhr und -abfuhr betätigbare
Verstelleinrichtung für den Abstand zwischen Trommel- und
z. B. Abnehmerwalze vorgesehen, um den Abstand bei wechselnden
Betriebsbedingungen konstant zu halten. Um die gewünschte
Stellbewegung (aktiv regel- und steuerbar) hervorzurufen, wird ein
Element für die erforderliche Wärmeenergiezufuhr
und -abfuhr verwendet, welches sowohl Kühlen als auch Heizen kann
(z. B. ein Peltierelement). Dies ermöglicht eine sehr flexibel
und schnell auf Zustandswechsel reagierende Regelung oder Steuerung.
Es ist weiterhin möglich, den Kühleffekt durch
Kühlkörper, Lüfter oder Ähnlichem
zu verstärken.
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Der
Sollwert des Verstellweges wird vorzugsweise einer Regelung oder
Steuerung vorgegeben. Durch eine aktive Regelung wird es möglich,
die durch die Fliehkraft erzeugte Abstandsänderung auszugleichen.
Ein passives Verstellsystem würde erst zeitverzögert
auf die Abstandsänderung reagieren, da die Abstandsänderung
durch die Fliehkraft viel schneller herbei geführt wird,
als eine Änderung durch Wärmeenergiezufuhr.
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Bevorzugt
wird bei Anlauf- und Auslaufphasen der Maschine das Stellelement
der Versteileinrichtung zur größten Ausdehnung
gebracht und der Abnehmer näher an die Trommel gefahren.
Mit steigender Drehzahl und Zunahme der Wärme wird die Temperatur
der Verstelleinrichtung wieder erniedrigt, um die Abstandsveränderung
durch Zunahme der Fliehkraft und der Walzentemperaturen auszugleichen.
Demnach ist es bei warm gewordener Maschine gar nicht mehr oder
nur wenig nötig zu heizen oder zu kühlen, wenn
die Maschine zuvor so voreingestellt wurde, dass der Abstand bei
warmer Maschine auf Raumtemperatur ideal ist. Ggf. auszugleichen sind
dann nur noch die Schwankungen der Umgebungstemperatur bzw. Anpassungen
aufgrund einer veränderten Materialauswahl. Die vorliegende
Erfindung arbeitet dadurch ressourcenschonend, was den Energieverbrauch
anbelangt.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der Verbesserung der Maschinensicherheit.
Gibt es zum Beispiel einen plötzlichen Maschinen-Stopp
(z. B. durch Stromausfall) und die Wärmeelemente fallen
aus, verringern sich die Abstände zwischen Trommel und den
umliegenden Walzen, da die Verstelleinheit aufgrund ihrer weitaus
geringeren Masse schneller abkühlen kann, als die Trommel.
Dies kann zu Berührungen zwischen Tambour und den umliegenden Walzen
und Arbeitselementen führen. In der vorliegenden Erfindung
wird der Abstand in derartigen Notfällen vergrößert.
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Die
Vorteile der Erfindung sind unter anderem:
- • Die
Verstelleinrichtung kann neben dem Heizen auch gekühlt
werden und ist dadurch flexibler und schneller regel- und steuerbar.
- • Die entgegengesetzte Wirkrichtung der Verstellelemente
senkt den Energieverbrauch und bietet eine Sicherheit vor Maschinenschäden
bei plötzlichen Maschinen-Stopps.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Aktor) werden
Abstände von Walzen automatisch eingestellt. Mit dieser
Einstellbarkeit werden Spaltänderungen durch die Fliehkraft
der Trommel und die Wärmeausdehnung der Walzen mittels
einer Regelstruktur ausgeglichen. Es ist eine aktive Aufheizung
und eine aktive Kühlung ermöglicht, d. h. es werden
in kurzer Zeit gezielt bestimmte Temperaturen der Verstelleinrichtung
verwirklicht. Insbesondere erlaubt die Erfindung – außer
der aktiven Aufheizung – auch eine aktive Kühlung
(Wärmeabfuhr bzw. Wärmeenergieentzug) der Verstelleinrichtung.
Die Einrichtung, die sowohl Kühlen als auch Heizen kann,
ermöglicht eine sehr flexibel und schnell auf Zustandswechsel
reagierende Regelung oder Steuerung.
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Die
Ansprüche 2 bis 77 haben vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung zum Inhalt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 schematisch
Seitenansicht einer Karde für die erfindungsgemäße
Vorrichtung,
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2 in
Seitenansicht die Trommel und der verschiebbar gelagerte Abnehmer
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2a Detail
der Einstelleinrichtung gemäß 2,
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3 ein
Metallrohr als Stellelement, dem ein Peltierelement mit Kühlkörper
zugeordnet ist,
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4 schematisch
Aufbau eines Peltierelements,
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5 ein
steuerbarer Fluidzylinder als Einstelleinrichtung,
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6 schematisch
Blockschaltbild einer Regeleinrichtung mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen zwei Walzen,
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7 Seitenansicht
der Trommel mit schwenkbar gelagertem Abnehmer mit einer ersten Anordnung
(Anlenkung) des Stellelements,
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8 Seitenansicht
der Trommel mit schwenkbar gelagertem Abnehmer mit einer weiteren
Anordnung (Anlenkung) des Stellelements,
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9 Seitenansicht
der Trommel mit zwei schwenkbar gelagerten Abnehmern, jeweils mit
einer Anordnung des Stellelements,
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10 Seitenansicht
der Trommel mit schwenkbar gelagertem Vorreißer mit einer
Anordnung des Stellelements,
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11 Seitenansicht
ausschnittsweise der Trommel und schwenkbar gelagertem Abnehmer
mit einem steuerbaren Fluidzylinder als Stellelement und Sicherheitsventil
und
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12 Seitenansicht
der Trommel mit Vorreißer- und Abnehmereinheit sowie Zuordnung
der Stellelemente zu den die Trommel tragenden Gestellwänden.
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1 zeigt
eine Karde, z. B. Trützschler Karde TC 07, mit Speisewalze 1,
Speisetisch 2, Vorreißern 3a, 3b, 3c,
Trommel 4, Abnehmer 5, Abstreichwalze 6,
Quetschwalzen 7, 8, Vliesleitelement 9, Flortrichter 10,
Abzugswalzen 11, 12, Wanderdeckel 13 mit
Deckelumlenkrollen 13a, 13b und Deckelstäben 14,
Kanne 15 und Kannenstock 16. Die Drehrichtungen
der Walzen sind mit gebogenen Pfeilen gezeigt. Mit M1 ist
der Mittelpunkt (Achse) der Trommel 4, mit M2 der
Mittelpunkt des Abnehmers 5 und mit M3 der
Mittelpunkt des Vorreißers 3c bezeichnet. 4a gibt die
Garnitur und 4b gibt die Drehrichtung der Trommel 4 an. 5a gibt
die Garnitur und 5b gibt die Drehrichtung des Abnehmers 5 an.
Mit C ist die Drehrichtung des Wanderdeckels 13 in Kardierstellung
und mit C ist die Rücktransportrichtung der Deckelstäbe 14,
mit 62', 62'' sind ortsfeste Funktionselemente
und mit 41 ist eine Abdeckung unterhalb der Trommel 4 bezeichnet.
Der Pfeil A bezeichnet die Arbeitsrichtung.
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Nach 2 ist
ein stationäres Gestell 20 einer Karde oder Krempel
als ein Rahmen mit vier Abstützungen 21 (nur zwei
dargestellt) und mit zwei horizontalen Längsträgern 22 (nur
einer dargestellt) vorgesehen. Die beiden Längsträger
und die Abstützungen sind durch (nicht dargestellte) Querträger
zu einem stabilen, steifen Tragrahmen für zwei mit einer Spitzengarnitur
ausgerüstete, mit kleinem gegenseitigen Abstand a arbeitende,
rotierende Walzen 4 und 5 zusammengebunden. Die
Trommel 4 ist mittels zweier mit den Längsträgern
fest mit Schrauben 23a, 23b zusammengeschraubter
Tragelemente 24 (von denen nur eines in 2 dargestellt
ist) ortsfest und um eine Achse M1 drehbar
gelagert und wird mit nicht dargestellten Einrichtungen angetrieben
und im Uhrzeigersinn 4b gedreht. Die Trommel 4 trägt
auf ihrer zylindrischen Fläche eine Spitzengarnitur 4a.
Der Abnehmer 5 ist ebenfalls mit zwei Tragelementen 25 (nur
eines dargestellt) auf den Längsträgern 22 des Gestells 20 um
seine Achse M2 drehbar gelagert. Die Tragelemente
sind jedoch nicht auf die Längsträger festgeschraubt,
sondern mittels je zweier prismatischer Führungen 26 (sh. 2a)
so geführt, dass sie parallel zur Achse um eine kleine
Strecke in der Größenordnung von 1 bis 2 mm verschiebbar
sind. Durch parallele Verschiebung der Tragelemente 25 kann
so in Richtung der Pfeile M, N der Abstand zwischen den zylindrischen
Flächen bzw. Garnituren 4a und 5a der
Walzen 4 und 5 variiert werden. Der Abnehmer 5 ist
auf seiner zylindrischen Fläche ebenfalls mit einer Spitzengarnitur 5a versehen.
Bei der Übertragung der Fasern von der Trommel 4 auf
den Abnehmer 5 ist der Abstand a zwischen den zylindrischen
Flächen beider Walzen neben anderen Parametern, wie z.
B. der Oberflächengeschwindigkeit beider Walzen und der
Art der Spitzengarnitur von entscheidender Bedeutung. Gute Arbeitsverhältnisse
zwischen den Walzen können so nur gesichert werden, wenn
der Abstand a innerhalb genauer und sehr enger Toleranzen gehalten
wird. Bei dieser Anordnung liegt der optimale Wert für
den Abstand a, bei Walzendurchmessern von ca. 0,20 m bis 1,5 m und
Walzenbreiten bis ca. 2 m, in einem Bereich von ca. 0,05 mm < a < 0,3 mm, wobei die
untere Grenze des Abstands a nicht technologisch bedingt ist, sondern
nur zur Vermeidung gegenseitiger Berührung oder Störung
der Garniturspitzen beider Walzen einzuhalten ist. Andernfalls besteht
die Gefahr von Bränden und mechanischen Schäden
der teuren Spitzengarnituren. Der Abstand a ist so im Vergleich
zu den Walzendimensionen äußerst klein. Die durch
den Anstieg der Walzentemperatur bewirkte Durchmesservergrößerung liegt,
wie durch Untersuchungen festgestellt wurde, in der Größenordnung
von ca. 0,08 mm pro 10°C Temperaturanstieg, was durchaus
der Größenordnung des optimalen Wertes des Abstandes
a entspricht. Ähnliche Deformationen werden durch den Einfluss
der Fliehkraft bewirkt. Um den Abstand a auf einen gewünschten
Wert einzustellen, ist das Maschinengestell auf seinen Längsträgern
mit je einem fixen Anschlag 27 für Stellelemente 28 versehen, welche
zwischen dem fixen Anschlag 27 und dem Tragelement 25 eingesetzt
sind. Die Stellelemente 28 sind in der Lage, die Position
ihres entsprechenden Tragelements 25 hinsichtlich derjenigen
des fixen Tragelements 24 zu bestimmen. Die Steuerung der
Stellelemente erfolgt über Regeleinrichtungen (sh. 6).
Den Stellelementen 28 ist jeweils als Einrichtung zur Wärmeenergiezufuhr
bzw. -abfuhr ein Peltierelement 29 zugeordnet.
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Entsprechend 2a wird
für die Verschiebung des Tragelements 25 (Lager)
die thermische Ausdehnung bzw. Kontraktion eines Metallstabes als Stellelement 28 benutzt.
Hierzu ist der Metallstab 28, z. B. mittels Gewindeverbindungen,
in dem Tragelement 25 und in den Anschlag 27 fest
verankert. Die für die thermische Ausdehnung und die thermische Kontraktion
des Metallstabes 28 erforderliche aktive Wärmezufuhr
bzw. der aktive Wärmeentzug werden mittels des Peltierelementes 29 erzeugt,
dessen Stromzufuhr durch die Regeleinrichtung (sh. 6) geregelt
wird. Die verschiebbare Befestigung des Tragelements 25 am
Längsträger 22 erfolgt mittels prismatischer
Führungen 26.
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Das
Stellelement 28 ist nach 3 als Metallrohr
ausgebildet. Der dehn- bzw. kontraktierbare Körper des
Stellelements 28 besteht vorzugsweise aus einem Material
mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und gleichzeitig
hoher Festigkeit (z. B. Aluminium). Der in 3 gezeigte
Körper ist ein Aluminiumrohr (Wärmeausdehnungskoeffizient α = 23,8·106 [1/°K]). Ausgebildet als Hohlkörper
(Rohr) besitzt der Körper so wenig Masse wie möglich,
damit er schnellstmöglich erwärmt und abgekühlt
werden kann. Weiterhin ist er isoliert, damit er die zugeführte
Wärme nicht an die Umgebung abgeben kann. Die Isolation 30 kann
außen zum Beispiel über ein Moosgummirohr geschehen.
Die Verbindungsstellen 31a, 31b zu den umgebenden
Bauteilen der Maschine bestehen im Gegensatz zum Körper
des Stellelementes 28 aus einem Material mit niedrigem
Wärmeaus-dehnungskoeffizienten, um dem Körper
so wenig Wärme wie möglich zu entziehen und das
Stellelement 28 ebenso zu isolieren. Hier eignet sich zum Beispiel
(niedrig) legierter Stahl. Das Peltierelement 29 benötigt
eine ebene Fläche zur Montage. Wird ein rundes Rohr wie
in 3 verwendet, ist es nötig, ein Zwischenstück 32 (Peltieranbindung)
am Rohr zu befestigen (z. B. mit Wärmeleitkleber oder Schrauben), um
eine ebene Fläche zu bekommen. Es ist auch möglich,
den Körper des Stellelements 28 direkt mit einer
ebenen Fläche zu gestalten, z. B. in Form eines Aluminium-Strangpressprofils.
Ein Kühlkörper 33 ist direkt an das Peltierelement 29 angeklebt;
er kann auch geklemmt befestigt werden.
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Sind
nach 4 zwei verschiedene elektrische Leiter an ihren
Enden miteinander verbunden (z. B. Lötverbindung) und werden
die elektrischen Leiter mit einer Spannung versorgt, arbeitet das
Peltierelement 29 als eine Art Wärmepumpe und
transportiert die Wärme von der einen Seite des Elements zur
anderen Seite. Die Seite, die Wärme abgibt, ist kalt und
die andere warm. Wird die Energieversorgung 34 umgepolt,
wechseln Kalt- und Warmseite. Das Peltierelement 29 stellt
somit mittels der Energieversorgung 34 einen Temperaturunterschied
zwischen beiden Seiten des Elements her. Soll gekühlt werden,
muss die Wärme an der warmen Seite so gut wie möglich
abgeführt werden, damit die zu kühlende Seite
umso kälter werden kann. Umgekehrt, muss beim Heizen an
der kalten Seite soviel Wärme wie möglich aufgenommen
werden, damit die zu erwärmende Seite umso warmer werden
kann. Entsprechend 4 sind negativ dotierte Halbleiter 35a, 35b (n-dotiert)
und positiv dotierte Halbleiter 36a, 36b (p-dotiert)
immer abwechseln an ihren Enden an Kupferplättchen 37a, 37b, 37c miteinander
verbunden. Meistens werden die Kupferplatten 37a, 37b, 37c von
jeweils einer Keramikplatte 38a, 38b pro Warm-
und Kaltseite bedeckt.
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Um
den Körper des Stellelements 28 so schnell wie
möglich zu erwärmen, wird dieser von der Umgebung
isoliert. Ansonsten würde der Körper einen Teil
der erhaltenen Wärme direkt an die Umgebung weiter geben.
Um den Körper des Stellelements 28 so schnell
wie möglich abzukühlen, verfügt er über eine
große Kühloberfläche, welche schnell
Wärme an die Umgebung abgeben kann. Das Peltierelement 29 ist
zwischen dem zu heizenden oder zu kühlenden Körper
des Stellelements 28 und dem Kühlkörper 33 geklemmt
oder geklebt. Hierbei ist wichtig, dass es keine Wärmebrücke
zwischen dem Kühlkörper 33 und dem Körper
des Stellelements 28 gibt. Wäre diese Brücke
vorhanden, könnte das Peltierelement 29 keinen
Temperatur-unterschied zwischen Kühlkörper 33 und
Körper des Stellelements 28 herstellen, da durch
Wärmeleitung der Temperaturunterschied direkt ausgeglichen
werden würde. Der Kühlkörper 33 ist
folglich entkoppelt von dem zu erhitzenden bzw. zu kühlenden
Bauteil. Dies bietet den Vorteil, dass der Kühlkörper 33 beim
Erwärmen nicht mit erhitzt werden muss, wodurch der Heizvorgang
schneller erfolgt.
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Dank
der großen Oberfläche des Kühlkörpers 33 ist
das Peltierelement 29 in der Lage, der Umgebung die Wärme
zu entziehen und pumpt sie in den Körper des Stellelements 28 hinein.
Soll nun gekühlt werden (z. B. in Notsituationen oder Crashfall), wird
die Stromversorgung 34 des Peltierelements 29 umgepolt.
Sofort wird vom Kühlkörper 33 die zuvor
in den Körper des Stellelements 28 hineingepumpte Wärme
wieder entzogen und der Körper des Stellelements 28 zieht
sich zusammen. Hier wird durch das Umpolen des Stromes also aktiv
gekühlt, anders als beim Stand der Technik. Der Kühlprozess
könnte außerdem durch die Verwendung eines (nicht
dargestellten) Lüfters, der gegen den Kühlkörper 33 bläst, aktiv
unterstützt und dadurch beschleunigt werden. Doch nicht
nur beim aktiven Kühlen durch Umpolen ist der Vorgang schneller.
Allein das Ausschalten des Peltierelements 29 und das passive
Kühlen über den Kühlkörper 33 (der
nur in Verbindung mit einem Peltierelement 29 sinnvoll
einsetzbar ist) bewirken einen schnellen Kühlprozess. Da
die Wärme nicht nur über die gesamte Oberfläche
des Körpers des Stellelements 28 abgeführt,
sondern hauptsächlich über das Peltierelement 29 und
den Kühlkörper 33 heraus gepumpt wird,
ist es möglich und auch sinnvoll, das Stellelement 28 zu
isolieren, um den Heizprozess schneller zu gestalten.
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Durch
die Verwendung des Peltierelements 29 in Kombination mit
einem Kühlkörper 33 (und evtl. Lüfter)
erfolgen die Heiz- und Kühlprozesse demnach schneller als
z. B. mit herkömmlichen Heizelementen. Folglich ist die
Regeldynamik einer Verstelleinheit zur Abstandseinstellung von Trommel 4 und Abnehmer 5 mit
Peltierelement 29 höher, als bei bisher bekannten
Verstelleinrichtungen.
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Nach 5 befindet
sich in einem dichten Behälter 40 eine Flüssigkeit 44 mit
hohem Volumenausdehnungskoeffizienten. Ein z. B. durch zwei Druckfedern 41a, 41b federbelasteter
Kolben 42 mit einer Kolbenstange 43 sorgt für
Vorspannung der Flüssigkeit 44 (Überdruck).
Bei Erwärmung der Flüssigkeit 44 dehnt
sich diese aus. Die herausragende Kolbenstange 43 fährt
aus. Verbunden mit einer Walze entfernt sich diese von der Trommel 4.
Bei Abkühlung der Flüssigkeit 44 erfolgt
der Vorgang umgekehrt. Die notwendige Energie zur Erwärmung
der Flüssigkeit 44 bzw. zum Wärmeentzug
von der Flüssigkeit 44 wird durch das Peltierelement 29 verwirklicht,
das am Behälter 40 befestigt ist. 29 verbunden ist.
Die Kolbenstange 43 hat zum Beispiel Gewinde, so dass eine
Grundeinstellung durchgeführt werden kann. Durch die richtige
Wahl der Flüssigkeit, Kolbenfläche, Federvorspannung
und des Flüssigkeitsvolumens ist die Vorrichtung in Bezug
auf Verstellkraft und Verstellweg anpassbar. Das Gehäuse 40 ist in
ein Gehäuseteil 40a, in dem sich die Druckfedern 41a, 41b befinden
und in ein Gehäuseteil 40b, in dem sich das Hydrauliköl
befindet, aufgeteilt. Die Kolbenstange 43 und der Kolben 42 sind
bei Wärmeausdehnung in Richtung des Pfeils F und bei Wärmeentzug in
Richtung des Pfeils G verschiebbar. Mit 44 ist schematisch
das Fluid bezeichnet; mit 63 ist die Verstelleinrichtung
bezeichnet.
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Das
Peltierelement 29 ist nach 6 in einen
Regelkreis eingebunden. Einem Regler 45, z. B. PID-Regler,
ist ein Sollwertsteller 46, z. B. Speicher, für
einen gewünschten (vorgegebenen) Arbeitsabstand zugeordnet.
An den Regler 45 ist als Messglied elektrisch ein Sensor 47,
z. B. ein Wegaufnehmer angeschlossen, der Messgrößen
in den Regler 45 eingibt. An den Regler 45 ist
weiterhin elektrisch das Peltierelement 29 angeschlossen,
an das Stellgrößen vom Regler 45 ausgegeben
werden. Das Peltierelement 29 ist am Stellelement 28 (sh. 3)
befestigt, das auf eine Verstelleinrichtung 48 (sh. 2)
für die Ein- bzw. Nachstellung des Arbeitsabstandes einwirkt.
Mit 49 ist ein Element zur Eingabe von Störeinflüssen
bezeichnet.
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Der
Sollwert des Arbeitsabstandes wird vorgegeben durch die Berechnungen
aus Trommeldrehzahl und den Temperaturen von Trommel 4,
Seitenschild und Umgebung (T-CON). Die Ist-Position des Abnehmers 5 zur
Trommel 4 wird gemessen über den Sensor 47 (z.
B. einen Wegaufnehmer). Der Regler 45 (vorzugsweise PID-Regler)
gleicht die Ist-Position mit dem Sollwert ab und regelt dementsprechend
die Energieversorgung 34 des Peltierelements 29 (sh. 4).
Durch Wärmen oder Kühlen mit dem Peltierelement 29 dehnt
sich der Körper des Stellelements 28 oder der
Flüssigkeit 44 aus oder zieht sich wieder zusammen.
Störeinflüsse, wie z. B. die Änderung
der Umgebungstemperatur, können den nun erreichten Arbeitsabstand
nachteilig beeinflussen. Der Sensor 47 misst aber die Änderung
des Arbeitsabstandes, der Regler 45 regelt wieder nach und
so schließt sich der Regelkreislauf.
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Durch
geschickte Anordnung eines Stellelements 28 zwischen Abnehmer 5 und
Gestell 20 lässt sich der Nachteil eines geringeren
Ausdehnungskoeffizienten eines Feststoffes (Metall) ausgleichen, wie
in den 7 und 8 gezeigt.
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Der
Abnehmer 5 ist nach 7 drehbar
gelagert um einen ortsfesten Drehpunkt 50 (Drehlager) am
Gestell 20 der Maschine. Der Dreharm 51 des Abnehmers 5 stützt
sich mit einem Ende 52 auf den ortsfesten Körper
des Stellelements 281. Der Dreharm 51 ist
in Richtung der Pfeile H, I um den Drehpunkt 50 drehbar.
Wird der Körper des Stellelements 281 mit
dem Peltierelement 29 erwärmt, dehnt sich der
Körper aus und der Arbeitsabstand a verkleinert sich. Umgekehrt
vergrößert sich der Arbeitsabstand a beim Kühlen
des Körpers des Stellelements 281.
Je näher das Stellelement 281 am
Drehpunkt 50 angeordnet ist, umso geringer muss die Ausdehnung sein,
um den gewünschten Weg zu erreichen. Das andere Ende des
Stellelements 281 ist an einem
ortsfesten Drehpunkt 53 (Drehlager) angelenkt, der zweckmäßig
am Gestell 20 angebracht ist.
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Da
das Peltierelement 29 durch Umpolen des Stromflusses (sh. 4,
Position 34) auch kühlen kann, ist es ebenso möglich,
das Stellelement 282 entgegen gesetzt
wirken zu lassen, wie 8 zeigt. Der Dreharm 51 (Hebelarm)
ist an dem Stellelement 282 am
Ende 52 angehängt. Das andere Ende des Stellelements 282 ist am Drehpunkt 54 ortsfest
angelenkt. Wird das Stellelement 282 in
dieser Anordnung gekühlt, zieht es sich zusammen und der
Arbeitsabstand a wird verkleinert.
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Die
Ausbildungen nach den 7 und 8 haben
den Vorteil, dass der drehbar bzw. schwenkbar um den Drehpunkt 50 gelagerte
Abnehmer 5 – und gegebenenfalls das gesamte der
Trommel 4 nachgelagerte Auslaufmodul einschließlich
der Abstreichwalze 6, der Quetschwalzen 7, 8,
des Florleitelements 9, des Bandtrichters 10 und
der Abzugswalzen 11, 12 – infolge des
Eigengewichts durch Schwerkraft in Richtung des Pfeils H belastet
sind, so dass eine Fixierung entbehrlich ist. Zweckmäßig
ist ein (nicht dargestellter) Anschlag o. dgl. vorhanden, damit
eine Berührung der Garnituren 4a bzw. 5a der Trommel 4 und
des Abnehmers 5 ausgeschlossen ist.
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9 zeigt
eine Ausführungsform, bei der die Trommel 4 mit
zwei nachgelagerten Abnehmern 51 und 52 zusammenarbeitet, die beide jeweils
mittels eines drehbaren Hebelarms 51a bzw. 51b um
ortsfeste Drehpunkte schwenkbar sind, die jeweils an ein Stellelement 28a bzw. 28b angelenkt
sind. Die Stellelemente 28a und 28b arbeiten jeweils
mit einem (in 9 nicht gezeigten) Peltierelement 29a bzw. 29b zusammen,
wodurch die Arbeitsabstände a1 bzw.
a2 ein- bzw. nachstellbar sind.
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10 zeigt
eine Ausbildung, bei der die Trommel 4 mit einem schwenkbar
gelagerten vorgeordneten Vorreißer 3 zusammenarbeitet,
der mittels eines drehbaren Hebelarms 55 um einen ortsfesten Drehpunkt 56 schwenkbar
ist, wobei der Hebelarm 55 an das Stellelement 28 angelenkt
ist, das mit einem (in 10 nicht gezeigten) Peltierelement 29c zusammenwirkt,
wodurch der Arbeitsabstand zwischen Trommel 4 und Vorreißer 3 (bzw.
deren Garnituren 4a bzw. 3'') ein- bzw. nachstellbar
sind. Der Dreharm 55 ist in Richtung der Pfeile K, L um
den Drehpunkt 56 drehbar.
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Nach 11 ist
der Fluidzylinder 40 mit einem Sicherheitsventil 60 (z.
B. ein elektrisch betätigbares 2/2-Wege-Ventil oder ein
elektrisch entsperrbares Rückschlagventil) ausgestattet.
Die Verstelleinheit ist derart angeordnet, dass ein Öffnen
des Ventils 60 zwangsläufig zu einer Vergrößerung
des Abstandes a zwischen Trommel 4 und Abnehmer 5 führt,
so dass in Notfallsituationen große Maschinenschäden
vermieden werden. Beispiel: Ein Wickel läuft ein und wird
von einer separaten Wickelerkennung 61 an einer Abstreifwalze 6 erkannt.
Daraufhin wird das Ventil 60 geöffnet. Die Abstandsvergrößerung
könnte z. B. dadurch herbeigeführt werden, dass
die Gewichtskraft der Abnehmerwalze 5 den Kolben 42 (sh. 5)
eindrückt und somit das Fluid 44 aus dem Zylinder 40 herauspresst.
Förderlich ist ein trapezförmiges Gestell, dessen
Stütze als Gleitschiene für den Abnehmer 5 dient,
so dass eine horizontale Wirkrichtung der Verstelleinheit der Walze 5 vermieden
wird. Eine andere Möglichkeit wäre eine pendelartige
Aufhängung des Abnehmers 5 um einen Drehpunkt 50 (sh. 7, 8).
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Nach 12 sind
vor Inbetriebnahme der Karde, z. B. bei Raumtemperatur, zwischen
der Trommel 4 und dem Vorreißer 3c ein
Abstand b1 einerseits und dem Abnehmer 5 ein
Abstand a1 andererseits, z. B. jeweils 8/1000'',
vorhanden. Im Betrieb der Karde, nach einer Erwärmung der
Maschine, insbesondere der Walzen, sind die Abstände zwischen Trommel 4 und
Vorreißer 3c bzw. Abnehmer 5 auf a2 bzw.
b2, z. B. jeweils 2/1000'', reduziert. Durch die Peltierelemente 281 und 282 an
bzw. in den Tragstützen 21' bzw. 21'' (sowie
in den nicht dargestellten Tragstützen in der Gestellwand
auf der anderen Seite der Karde) werden die Tragstützen
in senkrechter Richtung ausgedehnt. Dadurch werden das Querhaupt 22,
das Lager 24 (und das nicht dargestellte Querhaupt und
Lager auf der anderen Seite) und die Achse M1 mit
der Trommel 4 ebenfalls in senkrechter Richtung nach oben
angehoben. Auf diese Weise vergrößert sich der
Abstand c1 zwischen dem Maschinen- bzw.
Gestellboden und dem Mittelpunkt M1 auf
den Abstand c2. Zugleich werden die Abstände a1 und b1
auf Abstände a2 bzw. b2 vergrößert, was durch
eine geometrische Berechnung ermittelbar ist. Die Abstände
e1 und d1 zwischen dem Maschinen- bzw. Gestellboden und dem Mittelpunkt
M2 der Welle des Abnehmers 5 bzw. dem Mittelpunkt M3 der
Welle des Vorreißers 3 bleiben gleich.
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Die
Temperatur nimmt von dem Niveau Walzen über die Seitenschilder
bis zum Maschinengestell ab. Erfindungsgemäß wird
gezielt und mit geringer Wärmeleistung bzw. Kühlung
eine Kompensation der Dimensionsänderungen der Walzen realisiert. Das
Maschinengestell 20 ist wärmetechnisch so zerlegt,
dass die Trommel 4 durch Erwärmung ihrer vom restlichen
Gestell „isolierten” Stützen 21', 21'' angehoben
bzw. abgesenkt wird. Es kann eine stufenweise oder stufenlose Einstellung
der Temperatur der Peltierelemente 281, 282 vorgesehen sein. Erfindungsgemäß wird
eine aktive Wärmezu- oder -abfuhr verwirklicht.
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Die
(nicht dargestellte) Arbeitsbreite der Trommel 4 und der
mindestens einen benachbarten Walze beträgt z. B. 1000
mm bis 2000 mm.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen, d. h.
aktive Wärmezuführung und aktiver Wärmeentzug
an den Stellelementen für die der Trommel 4 benachbarte
mindestens eine Walze wird auf elegante Weise der Arbeitsspalt in
kurzer Zeit auf gewünschte (vorbestimmte) Werte ein- bzw.
nachgestellt.
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Um
in Notsituation eine sehr schnelle Abkühlung des Stellelements 28 (ausdehnbares
und kontraktierbares Rohr) zu erreichen, wird zweckmäßig der
Effekt genutzt, dass sich „entspannende” Druckluft
sehr stark abkühlt. Gelangt zum Beispiel Druckluft mit
einem Druck von 6 bar über Umgebungsdruck aus einem Ventil
an die Umgebung frei, kann die vorher zusammengedrückte
Luft wieder expandieren und den Umgebungsdruck annehmen. Durch diese Expansion
kühlt die Luft in Sekunden auf weniger als –100°C
ab. Man nennt diesen Vorgang in der Thermodynamik eine „isentrope
Zustandsänderung”. Zur Verwirklichung ist es möglich,
am Stellelement 28 (ausdehnbares und kontraktierbares Rohr)
ein Pneumatikventil anzubringen und dieses in Notsituationen zu öffnen.
Durch die kalte Luft, die durch das Rohr strömen soll,
ist es in kurzer Zeit möglich, einen Walzenabstand a von
mehreren tausendstel Zoll zu realisieren. Die Abkühlung
erfolgt durch sich entspannende Druckluft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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